CN107179052A - 一种光谱共焦测量***在线标定装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谱共焦测量***在线标定装置和方法,该装置包括白光宽光谱光源、滤光片、双分支光纤、光纤出射光束、色散物镜、色散物镜出射光束、待测物、位移传感器、光谱仪和计算机,该方法包括转动滤光片的滤光片轮,让白光宽光谱光源发出的宽光谱白光光束通过各单色滤光片,通过计算得到被测物的位移d和波长λ之间的关系dλ=a+bλ,完成光谱共焦测量***在线标定。该装置和方法实现了不同使用环境下光谱共焦测量***的快速在线标定。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域,具体涉及一种光谱共焦测量***的在线标定。
背景技术
光谱共焦法是一种基于波长位移调制的非接触式微位移测量方法,具有测量精度高,速度快,对被测表面的纹理、倾斜等因素不敏感,对材料无特殊要求等优点,在微位移测量、物体表面三维形貌测量等方面具有重要的应用。
光谱共焦测量***通常在出厂时会进行精密标定,然而由于在不同使用环境下,环境参数如温度、湿度的变化等,将使光谱共焦测量***中色散物镜的结构发生变化,从而使色散物镜的色散关系发生变化,因此,在工作环境下进行光谱共焦测量***的在线标定是实现光谱共焦测量***高精度测量的重要保证。
本发明给出一种光谱共焦测量***在线标定装置与方法,通过旋转滤光片获得多个单色光,通过位移传感器获得不同单色光下被测物的位移大小,再通过最小二乘法进行波长和位移关系的线性拟合,获得当前环境下光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式,从而实现不同使用环境下光谱共焦测量***的快速在线标定。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种光谱共焦测量***在线标定装置,其特征在于,该装置包括白光宽光谱光源(10)、可旋转的滤光片(20)、双分支光纤(30)、光纤出射光束(301)、色散物镜(40)、色散物镜出射光束(401)、待测物(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80);其中,白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经滤光片(20)后进入双分支光纤(30)的第一分支端耦合入双分支光纤(30),经双分支光纤(30)总端传输后得到光纤出射光束(301),光纤出射光束(301)经色散物镜(40)后得到色散物镜出射光束(401),色散物镜出射光束(401)被待测物(50)反射后经色散物镜(40)、双分支光纤(30)总端、双分支光纤(30)的第二分支端进入光谱仪(70)。
优选地,所述滤光片(20)包括第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208),第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)通过滤光片轮(209)固定,且可绕滤光片轮(209)的中心轴(200)进行360度旋转。
优选地,当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的带通滤光片(208)后,得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱,该光谱范围即为色散物镜(40)的工作波长范围。
优选地,当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)后,得到波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光,各波长满足如下关系
λmin<λ1<λ2<λ3<λ4<λ5<λ6<λ7<λmax (1)
优选地,当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后,在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦,通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下,被测物(50)的位移分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7,它们之间的关系为
通过最小二乘法求得a和b的值,从而建立了被测物(50)的位移d和波长λ之间的关系
d=a+bλ (3)
一种光谱共焦测量***在线标定方法,其采用上述的光谱共焦测量***在线标定装置实现,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1、转动滤光片(20)的滤光片轮(209),让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过第一单色滤光片(201),得到波长为λ1的单色光;
S2、通过位移传感器(60)获得波长λ1下被测物(50)的位移d1;
S3、重复步骤S1~S2,通过第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)分别获得单色光λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7,各波长满足如下关系
λmin<λ1<λ2<λ3<λ4<λ5<λ6<λ7<λmax (1)
当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后,在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦,通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下,被测物(50)在这些波长下的位移d2、d3、d4、d5、d6和d7;
S4、根据(λ1,d1)、(λ2,d2)、(λ3,d3)、(λ4,d4)、(λ5,d5)、(λ6,d6)和(λ7,d7)七组数据,它们之间的关系为
通过最小二乘法进行线性拟合,得到拟合系数a和b的值,从而得到光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式dλ=a+bλ;
S5、完成光谱共焦测量***在线标定,转动滤光片(20)的滤光片轮(209),让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过带通滤光片(208),得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱,光谱共焦测量***正常工作。
本发明提供的光谱共焦测量***在线标定装置与方法,可以实现不同使用环境下光谱共焦测量***的快速在线标定。通过旋转滤光片获得多个单色光,通过位移传感器获得不同单色光下被测物的位移大小,再通过最小二乘法进行波长和位移关系的线性拟合,获得当前环境下光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式,从而避免了因环境参数变化对光谱共焦测量***测量精度的影响。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1为根据本发明实施方式的光谱共焦测量***在线标定装置示意图;
图2为根据本发明实施方式的滤光片的组成及结构图;
图3为根据本发明实施方式的光谱共焦测量***在线标定方法流程图;
其中,微位移装置包括:10、白光宽光谱光源,20、滤光片,30、双分支光纤,301、光纤出射光束,40、色散物镜,401、色散物镜出射光束,50、待测物,60、位移传感器,70、光谱仪,80、计算机。
滤光片20包括:200、滤光片轮转轴,201、第一单色滤光片,202、第二单色滤光片,203、第三单色滤光片,204、第四单色滤光片,205、第五单色滤光片,206、第六单色滤光片,207、第七单色滤光片,208、带通滤光片,209、滤光片轮。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示,本发明所述的光谱共焦测量***在线标定装置示意图,包括白光宽光谱光源(10)、滤光片(20)、双分支光纤(30)、光纤出射光束(301)、色散物镜(40)、色散物镜出射光束(401)、待测物(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80)。
白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经滤光片(20)后进入双分支光纤(30)的第一分支端耦合入双分支光纤(30),经双分支光纤(30)总端传输后得到光纤出射光束(301),光纤出射光束(301)经色散物镜(40)后得到色散物镜出射光束(401),色散物镜出射光束(401)被待测物(50)反射后经色散物镜(40)、双分支光纤(30)总端、双分支光纤(30)的第二分支端进入光谱仪(70)。通过旋转滤光片(20)得到多个波长,通过位移传感器(60)测得该波长下被测物(50)的位移,通过最小二乘法对被测物(50)的位移和波长之间的关系进行线性拟合,得到光谱共焦测量***波长和位移的对应关系。
如图2所示,为所述滤光片的组成及结构图,所述滤光片(20)包括第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208),第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)通过滤光片轮(209)固定,且可绕滤光片轮(209)的中心轴(200)进行360度旋转。
当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经上述滤光片(20)的带通滤光片(208)后,得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱,该光谱范围即为色散物镜(40)的工作波长范围。
当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经上述滤光片(20)的第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)后,得到波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光,各波长满足如下关系
λmin<λ1<λ2<λ3<λ4<λ5<λ6<λ7<λmax (1)
当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后,在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦,通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下,被测物(50)的位移分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7,它们之间的关系为
通过最小二乘法求得a和b的值,从而建立了被测物(50)的位移d和波长λ之间的关系
d=a+bλ (3)
如图3所示,为本发明所述的光谱共焦测量***在线标定方法流程图,当采用上述光谱共焦测量***在线标定装置进行光谱共焦测量***在线标定时,光谱共焦测量***在线标定方法包括如下步骤:
S1、转动滤光片(20)的滤光片轮(209),让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过第一单色滤光片(201),得到波长为λ1的单色光;
S2、通过位移传感器(60)获得波长λ1下被测物(50)的位移d1;
S3、重复步骤S1~S2,通过第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)分别获得单色光λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7,各波长满足如下关系
λmin<λ1<λ2<λ3<λ4<λ5<λ6<λ7<λmax (1)
当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后,在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦,通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下,被测物(50)在这些波长下的位移d2、d3、d4、d5、d6和d7;
S4、根据(λ1,d1)、(λ2,d2)、(λ3,d3)、(λ4,d4)、(λ5,d5)、(λ6,d6)和(λ7,d7)七组数据,它们之间的关系为
通过最小二乘法进行线性拟合,得到拟合系数a和b的值,从而得到光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式dλ=a+bλ;
S5、完成光谱共焦测量***在线标定,转动滤光片(20)的滤光片轮(209),让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过带通滤光片(208),得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱,光谱共焦测量***可以正常工作。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种光谱共焦测量***在线标定装置,其特征在于,该装置包括白光宽光谱光源(10)、可旋转的滤光片(20)、双分支光纤(30)、光纤出射光束(301)、色散物镜(40)、色散物镜出射光束(401)、待测物(50)、位移传感器(60)、光谱仪(70)和计算机(80);其中,白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经滤光片(20)后进入双分支光纤(30)的第一分支端耦合入双分支光纤(30),经双分支光纤(30)总端传输后得到光纤出射光束(301),光纤出射光束(301)经色散物镜(40)后得到色散物镜出射光束(401),色散物镜出射光束(401)被待测物(50)反射后经色散物镜(40)、双分支光纤(30)总端、双分支光纤(30)的第二分支端进入光谱仪(70)。
2.根据权利要求1所述的一种光谱共焦测量***在线标定装置,其特征在于,所述滤光片(20)包括第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208),第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)、第七单色滤光片(207)和带通滤光片(208)通过滤光片轮(209)固定,且可绕滤光片轮(209)的中心轴(200)进行360度旋转。
3.根据权利要求2所述的一种光谱共焦测量***在线标定装置,其特征在于,当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的带通滤光片(208)后,得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱,该光谱范围即为色散物镜(40)的工作波长范围。
4.根据权利要求2所述的一种光谱共焦测量***在线标定装置,其特征在于,当白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束经所述滤光片(20)的第一单色滤光片(201)、第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)后,得到波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光,各波长满足如下关系
λmin<λ1<λ2<λ3<λ4<λ5<λ6<λ7<λmax (1)。
5.根据权利要求4所述的一种光谱共焦测量***在线标定装置,其特征在于,当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后,在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦,通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下,被测物(50)的位移分别为d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7,它们之间的关系为
通过最小二乘法求得a和b的值,从而建立了被测物(50)的位移d和波长λ之间的关系
d=a+bλ (3)。
6.一种光谱共焦测量***在线标定方法,其采用权利要求1‐5中任一项的光谱共焦测量***在线标定装置实现,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1、转动滤光片(20)的滤光片轮(209),让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过第一单色滤光片(201),得到波长为λ1的单色光;
S2、通过位移传感器(60)获得波长λ1下被测物(50)的位移d1;
S3、重复步骤S1~S2,通过第二单色滤光片(202)、第三单色滤光片(203)、第四单色滤光片(204)、第五单色滤光片(205)、第六单色滤光片(206)和第七单色滤光片(207)分别获得单色光λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7,各波长满足如下关系
λmin<λ1<λ2<λ3<λ4<λ5<λ6<λ7<λmax (1)
当波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7的单色光通过色散物镜(40)后,在色散物镜(40)像方不同位置处聚焦,通过位移传感器(60)测得在波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6和λ7下,被测物(50)在这些波长下的位移d2、d3、d4、d5、d6和d7;
S4、根据(λ1,d1)、(λ2,d2)、(λ3,d3)、(λ4,d4)、(λ5,d5)、(λ6,d6)和(λ7,d7)七组数据,它们之间的关系为
通过最小二乘法进行线性拟合,得到拟合系数a和b的值,从而得到光谱共焦测量***波长和位移的线性关系式dλ=a+bλ;
S5、完成光谱共焦测量***在线标定,转动滤光片(20)的滤光片轮(209),让白光宽光谱光源(10)发出的宽光谱白光光束通过带通滤光片(208),得到波长范围为λmin到λmax的连续白光光谱,光谱共焦测量***正常工作。
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